NO311988B1

NO311988B1 - Compound hybrid risers

Info

Publication number: NO311988B1
Application number: NO20005116A
Authority: NO
Inventors: Ove F Jahnsen; Per-Ola Baalerud
Original assignee: Kvaerner Oilfield Prod As
Priority date: 1998-04-16
Filing date: 2000-10-11
Publication date: 2002-02-25
Also published as: NO20005116L; NO20005116D0

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et sammensatt hybridstigerør, for transport av fluid mellom sjøbunnen og en installasjon ved overflaten. The present invention relates to a composite hybrid riser, for transporting fluid between the seabed and an installation at the surface.

Ved oljeproduksjon anordnes det i dag flere stigerør mellom sjøbunnen og en installasjon ved overflaten, for eksempel en plattform eller et produksjonsskip. Stigerørene kan være enten fleksible eller stive. I den senere tid er det blitt foreslått en rekke konsepter, som f.eks. konseptet vist i fig. 1, der et antall stive stigerør buntes sammen til et hybridstigerør 2log føres opp til et flytelegeme 22 nær eller ved hav-verflaten 23. Fluider og gasser overføres mellom den flytende produksjonsenheten 24 og flytelegemet 22 gjennom fleksible stigerør 25. Fordelene er at man holder flytelegemet og koblingene på et dybdenivå med lav påvirkning fra bølger og vind, og de meget kostbare fleksible stigerørene, som forøvrig har dybdebegrensninger, benyttes kun i overgangen mellom flytelegemet og den flytende produksjonsenheten. En slik løsning er vist i NO 159.546, der det også er anordnet en ytre rørkappe som omslutter transportrørene. During oil production, several risers are currently arranged between the seabed and an installation at the surface, for example a platform or a production ship. The risers can be either flexible or rigid. In recent times, a number of concepts have been proposed, such as e.g. the concept shown in fig. 1, where a number of rigid risers are bundled together to form a hybrid riser 2log is led up to a floating body 22 near or at the sea surface 23. Fluids and gases are transferred between the floating production unit 24 and the floating body 22 through flexible risers 25. The advantages are that you hold the floating body and the connections at a depth level with low influence from waves and wind, and the very expensive flexible risers, which otherwise have depth restrictions, are only used in the transition between the floating body and the floating production unit. Such a solution is shown in NO 159,546, where there is also an outer pipe casing which encloses the transport pipes.

Imidlertid benyttes det ved de ovenfornevnte løsninger konvensjonelle stålrør som transportrør og stålvire som strekklegeme. Dette fører til at stigerøret blir svært tungt og krever et stort oppdriftslegeme. Selv om det påstår i NO 159.546 at man kan benytte dette stigerøret ned til 3000 m har praksis vist at på dypere vann enn ca. 1000 m vil man få store problemer med å benytte slike stigerør, fordi trykket krever store veggtykkelser for rørene, noe som i sin tur gjør at stigerøret blir så tungt at det i praksis ikke er mulig å skaffe tilstrekkelig oppdrift. Strekket i et slikt rør overskrider også det som er praktisk mulig å håndtere. I tillegg til stort oppdriftsbehov er det også behov for et sterkt fundament på havbunnen. Det sier seg selv at oppbygging av et stort fundament på et stort havdyp blir svært kostbart. However, in the above-mentioned solutions, conventional steel pipes are used as transport pipes and steel wire as tensioning body. This causes the riser to become very heavy and requires a large buoyancy body. Although it claims in NO 159.546 that you can use this riser down to 3000 m, practice has shown that in deeper water than approx. 1,000 m, one will have major problems using such risers, because the pressure requires large wall thicknesses for the pipes, which in turn means that the riser becomes so heavy that it is not possible to obtain sufficient buoyancy in practice. The stretch in such a pipe also exceeds what is practically possible to handle. In addition to the large buoyancy requirement, there is also a need for a strong foundation on the seabed. It goes without saying that building a large foundation at a great sea depth will be very expensive.

En annen ulempe, som også gjør seg gjeldende ved havdyp betydelig mindre enn 1000 m, er knyttet til produksjon og uttauing av stigerøret. Dersom stigerøret produseres på land i hele sin lengde eller i lange seksjoner, for senere uttauing til installasjonsstedet, vil selve transporten påføre utmatning på stigerøret. En slik utmatning forkorter stigerørets forventede levetid. Det kan være snakk om å bruke opp så mye som 10 % av utmatningslevetiden. Det er derfor viktig å sørge for så kort transportvei som mulig. Derfor begrenser mulige produksjonssteder seg sterkt. Another disadvantage, which also applies at sea depths significantly less than 1,000 m, is linked to the production and unmooring of the riser. If the riser is produced on land in its entire length or in long sections, for later unmooring to the installation site, the transport itself will cause strain on the riser. Such an output shortens the riser's expected lifetime. It can be a matter of using up as much as 10% of the fatigue life. It is therefore important to ensure that the transport route is as short as possible. Therefore, possible production locations are severely limited.

Dersom stigerøret skal settes sammen av forholdsvis korte seksjoner, som kan transporteres om bord på for eksempel en lekter, vil installasjonen fordyres kraftig. If the riser is to be assembled from relatively short sections, which can be transported on board on, for example, a barge, the installation will be significantly more expensive.

Den foreliggende oppfinnelse tar sikte på å tilveiebringe et sammensatt hybridstigerør, som omfatter de rørledninger og kabler som vanligvis behøves mellom sjøbunnen og en installasjon ved overflaten, som ikke eller i betydelig mindre grad innehar de ovenfornevnte ulemper. Dette oppnås ved de trekk som er angitt i karakteristikken til krav 1. The present invention aims to provide a composite hybrid riser, which includes the pipelines and cables that are usually needed between the seabed and an installation at the surface, which does not have, or to a significantly lesser extent, the above-mentioned disadvantages. This is achieved by the features specified in the characteristics of claim 1.

Ved den foreliggende oppfinnelse oppnås for det første en formidabel vektbesparelse, fordi komponenter av komposittmateriale har en vekt som kun er en brøkdel av stål. På grunn av vektebesparelsen reduseres behovet for oppdrift og fundamentering. With the present invention, firstly, a formidable weight saving is achieved, because components of composite material have a weight that is only a fraction of steel. Due to the weight saving, the need for buoyancy and foundations is reduced.

Videre oppnås en økning av utmatningslevetiden med en så mye som 10 ganger den for stål. Transporten ut til installasjonsstedet vil derfor kun i neglisjerbar grad redusere utmatningslevetiden. Uttauingsstrekningen blir derfor ikke kritisk og man har et betydelig større utvalg av produksjonssteder å velge mellom. Furthermore, an increase in fatigue life is achieved by as much as 10 times that of steel. The transport out to the installation site will therefore only reduce the fatigue life to a negligible extent. The thawing section is therefore not critical and you have a significantly larger selection of production locations to choose from.

For stigerør ifølge oppfinnelsen med forholdsvis små dimensjoner, vil det være mulig å kveile dette på dekket til en bred lekter under utskipingen. Derved forenkles transporten betydelig. For risers according to the invention with relatively small dimensions, it will be possible to coil this on the deck of a wide barge during shipping. This simplifies transport considerably.

Et lettere og mer fleksibelt stigerør gjør også selve installasjonen lettere. Det kan benyttes kraner, vinsjer og annet utstyr med betydelig lavere kapasitet. Installasjonen kan også gå raskere på grunn av den lavere vekten og den økte fleksibiliteten og det faktum at stigerøret ifølge oppfinnelsen tåler større påkjenninger. A lighter and more flexible riser also makes the installation itself easier. Cranes, winches and other equipment with significantly lower capacity can be used. The installation can also go faster due to the lower weight and the increased flexibility and the fact that the riser according to the invention withstands greater stresses.

Det skal nå vises til søknadens figur 2, som viser et tverrsnitt gjennom et sammensatt hybridstigerør ifølge den foreliggende oppfinnelse. Reference should now be made to figure 2 of the application, which shows a cross-section through a composite hybrid riser according to the present invention.

Det sammensatte hybridstigerøret ifølge oppfinnelsen omfatter et sentralt anordnet strekklegeme 1, som omfatter et antall kordeler 2, fortrinnsvis av lette og sterke fibre, slik som for eksempel karbonfiber, galssfiber eller aramidfiber i en matrise av plastmateriale, for eksempel epoksyharpiks, og avstandselementer 3, som er innrettet til å holde kordelene i avstand fra hverandre, og definerer kanaler 4, i hvilke kordelene 2 er lengdeveis fritt bevegelige. Fortrinnsvis er kordelene viklet, for eksempel i spiral- eller Z-vikling, rundt strekklegemet. Denne teknikken er utførlig beskrevet i PCT/NO98/00076 av samme søker. Strekklegemet er ved sin ene ende koblet til et fundament på havbunnen og ved sin andre ende koblet til et oppdriftslegeme. I stedet for eller i tillegg til et sentralt anordnet strekklegeme 1 kan det være anordnet flere ikke-sentralt anordnede strekklegemer. The composite hybrid riser according to the invention comprises a centrally arranged tensile body 1, which comprises a number of cord parts 2, preferably of light and strong fibres, such as for example carbon fibre, galss fiber or aramid fiber in a matrix of plastic material, for example epoxy resin, and spacer elements 3, which is arranged to keep the cord parts at a distance from each other, and defines channels 4, in which the cord parts 2 are longitudinally freely movable. Preferably, the cord parts are wound, for example in a spiral or Z winding, around the tensile body. This technique is described in detail in PCT/NO98/00076 by the same applicant. The tensile body is connected at one end to a foundation on the seabed and at its other end to a buoyancy body. Instead of or in addition to a centrally arranged tensioning body 1, several non-centrally arranged tensioning bodies can be arranged.

En omsluttende kappe 5 holder strekklegemet 1 samlet. Det sammensatte hybridstigerøret ifølge oppfinnelsen består også av et antall fluidtrarisportrør 6, 7 og 8, av forskjellige dimensjoner, for transport av produksjonsfluid og/eller vanninjeksjon. Ved spesielle tilfeller hvor det er små krav til strekkfasthet eller der rørledningene har tilstrekkelig strekkfasthet, er det mulig å eliminere det sentrale strekklegemet, idet rørene 6, 7 og 8 selv kan fungere som strekklegemer. An enveloping sheath 5 holds the tensile body 1 together. The composite hybrid riser according to the invention also consists of a number of fluid carrier pipes 6, 7 and 8, of different dimensions, for transporting production fluid and/or water injection. In special cases where there are small requirements for tensile strength or where the pipelines have sufficient tensile strength, it is possible to eliminate the central tensile body, as the pipes 6, 7 and 8 can themselves function as tensile bodies.

Det sammensatte hybridstigerøret kan også omfatte kontrollkabler 9, som i sin tur omfatter signalkabler, elektriske ledere, hydrauliske ledninger, fluidtransportrør og annet som det er vanlig å inkludere i en konvensjonell kontrollkabel. Disse kablene og ledningene er også hensiktsmessig anordnet i respektive kanaler, slik det er beskrevet for kontrollkabler, eller såkalte umbilicals, i norsk patent 174940 av samme søker. The composite hybrid riser can also comprise control cables 9, which in turn comprise signal cables, electrical conductors, hydraulic lines, fluid transport pipes and other things which are usually included in a conventional control cable. These cables and wires are also appropriately arranged in respective channels, as described for control cables, or so-called umbilicals, in Norwegian patent 174940 by the same applicant.

Hvert av rørene 6, 7 og 8, samt kontrollkablene 9, er anordnet lengdeveis fritt bevegelige i hver sine kanaler 10, som defineres av avstandselementer 11. Avstandselementene er fortrinnsvis utformet med et eller flere hulrom 12, som under installasjonen kan fylles med luft, vann eller annet medium, f.eks. syntetisk skum, for å regulere oppdriften. For å holde avstandselementene på plass i forhold til hverandre er det utformet fremspring 13 og fordypninger 14 på flatene der avstandselementene 11 grenser opp til hverandre. Avstandselementene er fortrinnsvis langstrakte og strekker seg over hele eller store deler av det sammensatte hybridstigerørets lengde. Each of the pipes 6, 7 and 8, as well as the control cables 9, are arranged longitudinally freely movable in each of their own channels 10, which are defined by spacer elements 11. The spacer elements are preferably designed with one or more cavities 12, which during installation can be filled with air, water or other medium, e.g. synthetic foam, to regulate buoyancy. In order to keep the spacer elements in place in relation to each other, projections 13 and depressions 14 are designed on the surfaces where the spacer elements 11 adjoin each other. The spacer elements are preferably elongated and extend over all or large parts of the length of the composite hybrid riser.

Rørene 6, 7 og 8 kan være anordnet i en rett linje eller de kan være viklet, for eksempel i spiral- eller Z-vikling rundt strekklegemet 1. En slik vikling gjør stigerøret mer fleksibelt og lettere å kveile. Rørene 6, 7 og 8 er laget av et komposittmateriale omfattende en matrise av plastmateriale, for eksempel epoksyharpiks, som HDPE. Rørene kan for eksempel bygges opp ved at fiberne vikles i flere lag av fortrinnsvis parallelt anordnede fibre, der minst noen av lagene krysser hverandre. Mellom hvert fiberlag legges en matrise av plastmateriale, som omslutter fiberne fullstendig. Dette gir stor motstandsdyktighet mot ytre fysisk påvirkning. Eventuelt kan rørene bygges opp av forhåndsimpregnerte fibre, såkalt prepreg, som er fibre som på forhånd er innsatt med et plastmateriale. Etter eller under påviklingen av fiberne behandles plastmaterialet, for eksempel ved varme, slik at det helt eller delvis smelter og flyter sammen til en sammenhengende matrise. The pipes 6, 7 and 8 can be arranged in a straight line or they can be wound, for example in a spiral or Z winding around the tensile body 1. Such a winding makes the riser more flexible and easier to coil. The pipes 6, 7 and 8 are made of a composite material comprising a matrix of plastic material, for example epoxy resin, such as HDPE. The tubes can, for example, be built up by winding the fibers in several layers of preferably parallel arranged fibers, where at least some of the layers cross each other. A matrix of plastic material is placed between each fiber layer, which completely encloses the fibers. This provides great resistance to external physical influences. Optionally, the pipes can be built up from pre-impregnated fibres, so-called prepreg, which are fibers which have been inserted in advance with a plastic material. After or during the winding of the fibers, the plastic material is treated, for example by heat, so that it completely or partially melts and flows together into a coherent matrix.

Rørene 6, 7 og 8 kan være fremstilt i én sammenhengende lengde, eller bestå av flere rørseksjoner som kobles sammen under fremstillingen av stigerøret. The pipes 6, 7 and 8 can be produced in one continuous length, or consist of several pipe sections which are connected together during the production of the riser.

En ytre beskyttende kappe 15 er anordnet rundt hele det sammensatte hybridstigerøret, for å holde elementene på plass i forhold til hverandre. Den ytre kappen består fortrinnsvis av PVC. An outer protective jacket 15 is arranged around the whole composite hybrid riser, to keep the elements in place in relation to each other. The outer sheath preferably consists of PVC.

I og med at rørene 6,7 og 8, samt kontrollkablene 9, er lengdeveis fritt bevegelige i kanalene 10 vil det sammensatte hybridstigerøret i enkelte tilfeller, og spesielt ved mindre dimensjoner, kunne spoles opp når det skal transporteres til installasjonsstedet. Dersom stigerøret er av en slik dimensjon at oppkveiling ikke er praktisk mulig, vil stigerøret kunne slepes til installasjonsstedet, for eksempel hengende mellom to slepefartøy. Da stigerøret uansett dimensjon har en viss bøyelighet, som er større enn for et tilsvarende dimensjonert stigerør i stål, vil stigerøret kunne oppta forholdsvis store bevegelser uten å overbelastes eller utmattes. Slepet kan derfor foregå under større bølgehøyder enn det som kan tillates for et stigerør i stål. As the pipes 6,7 and 8, as well as the control cables 9, are longitudinally freely movable in the channels 10, the composite hybrid riser will in some cases, and especially with smaller dimensions, be coiled up when it is to be transported to the installation site. If the riser is of such a dimension that winding up is not practically possible, the riser can be towed to the installation site, for example suspended between two towing vessels. As the riser regardless of its dimensions has a certain flexibility, which is greater than for a correspondingly dimensioned riser in steel, the riser will be able to absorb relatively large movements without being overloaded or exhausted. Towing can therefore take place under greater wave heights than can be permitted for a steel riser.

Ved den ovennevnte konstruksjonen er det dessuten mulig å oppnå et stigerør som inneholder mindre forsterkningsfibre og har en forholdsvis liten diameter, noe som gir en ytterligere redusert bøyeradius. With the above-mentioned construction, it is also possible to obtain a riser which contains less reinforcing fibers and has a relatively small diameter, which results in a further reduced bending radius.

Det sentrale strekklegemet kan ved installasjonen forhåndsstrekkes slik at det opptar alle statiske og dynamiske laster. Rørene og de øvrige elementene i stigerøret utsettes derfor ikke for nevneverdige belastninger. Eventuelt kan også strekklegemet overta forankringen av den flytende installasjonen til havbunnen, enten alene, sammen med strekkstag eller sammen med andre stigerør. During installation, the central tensile body can be pre-stretched so that it absorbs all static and dynamic loads. The pipes and the other elements in the riser are therefore not exposed to significant loads. Optionally, the tensile body can also take over the anchoring of the floating installation to the seabed, either alone, together with tension rods or together with other risers.

I strekklegemet kan det være innlagt en fiberoptisk kabel sammen med fiberne i strekklegemet. Ved hjelp av den fiberoptiske kabelen kan strekket og strukturintegriteten i strekklegemer overvåkes, slik at man kan holde regnskap med strekklegemets utmatningstilstand, hindre overbelastning og få et tidlig varsel dersom strekklegemet skulle svekkes. A fiber optic cable can be laid in the tensile body together with the fibers in the tensile body. With the help of the fibre-optic cable, the tension and the structural integrity of tension members can be monitored, so that you can keep track of the tension member's output state, prevent overloading and receive an early warning if the tension member should weaken.

Claims

1. Composite hybrid riser, for the transport of fluid between the seabed and an installation near or at the surface, characterized in that the riser is flexible and comprises a tension body (1), for absorbing most of the tension of the riser, which tension body is made of a composite material comprising a matrix of a plastic material, for example an epoxy resin, and a large number of fibers, for example carbon, glass or aramid fibers, a number of fluid tubes (6, 7, 8), which tubes are made of a composite material comprising a matrix of a plastic material, for example an epoxy resin, and a large number of fibers, for example carbon, glass or aramid fibers and an outer casing (15), which encloses the above-mentioned components, the stretching body (1) and the fluid tubes (6, 7, 8) being placed longitudinally freely movable in each of its own channels (10), which channels (10) are formed by a number of spacer elements (11), where the spacer elements are split longitudinally.

2. Riser according to claim 1, characterized in that it further comprises one or more control cables (9), containing for example signal cables, electrical conductors, hydraulic lines, fluid transport pipes, etc., which control cables are arranged longitudinally freely movable in a respective channel (10).

3. Riser according to claim 2, characterized in that the respective cables and wires in the control cable (9) are arranged longitudinally freely movable in respective channels in the control cable (9).

4. Riser according to claim 1, characterized in that the tensile body is arranged centrally.

5. A riser according to any one of the preceding claims, characterized in that the tensile body comprises a number of cord parts (2) which are kept at a distance from each other by means of spacer elements (3), the spacer elements (3) defining channels (4) in which the cord parts ( 2) are freely movable longitudinally.

6. A riser according to any one of the preceding claims, characterized in that the spacer elements (11) comprise cavities that can be filled with medium to regulate buoyancy.

7. A riser according to any one of the preceding claims, characterized in that the distance elements (11) and the pipes (6, 7, 8), and possibly the control cables (9) are wound in a spiral or Z-shape around the tensile body (1).

8. Riser according to any one of the preceding claims, characterized in that the pipes (6, 7, 8) form one continuous, continuous length in the riser.

9. Riser pipe according to any one of the preceding claims 1-7, characterized in that the pipes (6, 7, 8) are assembled from several interconnected sections.

10. A riser according to any of the preceding claims, characterized in that a fiber optic cable is inserted together with the fibers in the tensile body (1), for monitoring the tension in the tensile body (1) and/or its structural integrity.

11. Application of a flexible composite hybrid riser, each of which comprises a tension body (1), for absorbing most of the tension of the riser, which tension body is made of a composite material comprising a matrix of a plastic material, for example an epoxy resin, and a large number of fibers, for example carbon, glass or aramid fibers, a number of fluid tubes (6, 7, 8), which tubes are made of a composite material comprising a matrix of a plastic material, for example an epoxy resin, and a large number of fibers, for example carbon- , glass or aramid fibers and an outer casing (15), which encloses the above-mentioned components, the tensile body (1) and the fluid tubes (6, 7, 8) being placed longitudinally freely movable in each of its own channels (10), which channels (10 ) is formed by a number of spacer elements (11), where the spacer elements are split lengthwise, for anchoring a floating installation.